4-7 准LIGA微加速度开关的研制

陈光焱 何晓平 施志贵 丁元萍 赵 龙

　　为满足飞行体控制系统保险功能的要求，加速度开关应具备体积小、机械接触可靠、允许通过电流大、精度较高等特点。传统的加速度开关采用精密机械加工，存在体积较大、抗震能力较弱等不足。因此，要求研制新型的微机械加速度开关。研制的技术途径有多种，其中准LIGA技术因简单易行，只需通过厚胶光刻和微电铸工艺即可实现惯性器件的制作而被采用。该技术采用紫外光曝光，不必使用同步辐射光源，研制成本较低；同时以金属镍为材料，使得器件本身可作为电极导电并通大电流。

　　微加速度开关主要由质量块、折叠梁结构、触点电极和自锁/解锁机构组成，如图1所示。整个结构是典型的“弹簧-质量”系统，其运动方程符合牛顿第二定律。为了满足微开关在加速度量程内自锁的要求，设计了静电自锁机构。

　　为了验证设计，采用Ansys对微加速度开关进行了静力学分析和模态分析。在分析的基础上进行了结构优化设计，确定了合适的结构参数。分析采用的单元为SOLID95，材料为镍，其杨氏弹性模量E=2×10¹¹Pa，泊松比n = 0.3，r =8.9×10⁶g/m³，加载的加速度为5g_n（g_n= 9.81m/s²），静力分析结果如图2所示。计算结果表明：质量块的最大位移量为8.8m m，即触点的最大行程为8.8m m。模态分析结果为：第一阶模态频率是98.2Hz，振型为沿加速度敏感方向（y向）的平动；第二阶模态频率是420.3Hz，振型为沿垂直于xy平面（z向）的上下运动；第三阶模态频率是710.8Hz，振型为绕z向的扭动。

以硼硅玻璃为基底，采用准LIGA和牺牲层技术，分3层制作：先溅射、光刻Cr/Au作引线层；接着溅射、光刻Ti做牺牲层；然后光刻、电铸Ni作结构层；最后腐蚀牺牲层，释放结构。微加速度开关的工艺流程如图3所示。

　　具体流程为：硼硅玻璃切片、研磨抛光→基片清洗→第一次溅射Cr/Au→制作掩膜版→第一次光刻、腐蚀引线层→去胶、清洗→第二次溅射牺牲层Ti→第二次光刻、腐蚀牺牲层→去胶、清洗→第三次光刻结构层→清洗→电铸Ni→研磨→去胶、清洗→应力退火→腐蚀牺牲层，释放结构→封装敏感单元，焊接电极引线→性能测试。

　　分别采用两种光刻胶进行实验，成功地获得了正胶厚达54m m的胶模以及负胶厚达200m m的胶模，最大深宽比为10:1，并利用获得的胶结构开展了微电铸研究，成功地获得了金属开关结构。